弯曲带来运动优势

该技术将压电旅行放大了一个数量级，同时保持稳定的长寿命和无润滑剂。

向许多人提起线性运动，他们很可能会想到这样的解决方案线性马达或者旋转马达加上某种线性致动器。这一切都很好，宏观世界，但在微观和纳米定位的世界中，整个工作空间可以大约几百平方米或更小。滚珠丝杠执行器不太可能完成工作。压电执行器提供纳米级分辨率，但不一定在需要的旅行时间内。然而，通过柔性放大，该技术可以提供分辨率，旅行和可靠性的组合。在这种情况下，Flexures可能是您从未想过的最佳解决方案。

弯曲是固体，通常是单片装置，其由于材料的弹性变形而引入位移。与产生运动的常规轴承或致动器不同，产生滚动或滑动表面的运动，挠曲件不会遭受静态或摩擦。弯曲设计可以从非常简单的设计范围，例如单个材料如叶子弹簧，到非常复杂的多梁设计，可以沿多个轴引入线性位移，甚至旋转。它们可以由各种材料制成，包括非磁性或甚至非金属选项。

与传统的刚体机构和轴承相比，弯曲轴承具有多种优点。由于挠曲没有活动部件，当适当指定时，它们往往非常坚固，磨损极小，本质上是无限的寿命。它们提供非常高的刚度。它们不需要滚珠轴承和交叉滚子轴承工作台的精密加工水平，消除了由表面缺陷引入普通轴承的高频寄生运动。它们不需要润滑。在没有变形力的情况下，它们以惊人的程度自我中心。弯曲提供了另一个重要的优势-他们表现良好的线速度，这将导致空气轴承打滑。

传统技术实现多轴运动的标准方法是将多个台阶叠加在一起，但这引入了位移，并增加了质量和成本。弯曲设计可以沿多个轴同时驱动一个工件。

当然，每种技术都有其缺点。也许flexures最大的缺点就是旅行受限。也就是说，它们可以由粗定位器和细定位器组合而成，延长了行程长度，同时增强了可调性。最先进的混合设计将粗糙和精细的机制与单个编码器集成在一起，创造了纳米级双向可重复性和动态精度的机制。

弯曲涉及的成本权衡取决于应用程序。简单的弯曲可能是经济的，但更复杂的版本必须使用电火花机(EDMs)制造，这可能是昂贵的。也就是说，传统轴承在快速扫描应用中磨损很快，降低性能或导致性能或导致早期故障。

放大运动
如微光刻或原子力显微镜等应用需要具有高精度和可重复性的精密定位阶段。在轨道上的滚珠轴承的设计提供了合理的经济性低摩擦解决方案。问题是，现实世界以不可避免的制造错误的形式进入图像，这些错误是对运动的小变化。结果是一定量的差分滑动，可以降低性能，引起磨损，最终，可以导致灾难性失败的斑点。交叉滚子轴承，替代成角度的滚珠轴承，提供更好的准确性和刚度。然而，他们确实具有有限的解决方案。它们也容易受到污染，这可能导致早期失败。

这些宏溶液的替代方案是压电定位。压电定位器由堆叠的非常薄的压电材料组成在外加电压下膨胀(并在压缩时产生电压)。叠片越薄，分辨率越高。压电定位器提供高质量的性能，但只能在极短的行程。在系统中添加一个弯曲可以将运动范围扩大一个数量级，然而，在某些阶段，可以提供高达2mm行程的纳米级分辨率。

一种常见的结构是平行四边形挠曲，它由耦合到压电堆的两个挠曲所支持的负载组成(见图1)。当压电堆膨胀时，它压入挠曲，导致它们位移，并按与角度正弦成比例的距离移动负载。压电叠体的末端压入挠曲，挠曲被指定为太硬而不能仅仅弯曲，载荷水平移动。

图1:在压电堆上增加挠曲会放大运动
增加旅行的运行。缺点是它会引入跳动。
(由物理仪器提供)

如果我们考虑距离负荷在膨胀过程中传播压电堆的，那么

平行四边形柔性作动器的缺点是在轴之间引入了二阶交叉耦合。这种弧形运动可能导致的平面外定位误差约为所走距离的0.1%

在哪里为平面外误差(横向跳动)，H为挠曲长度。尽管错误是非零的，但它是可重复的，足以得到补偿。另外，双光束弯曲可以提供亚纳米和亚微半径的性能(见图2)。

图2:双挠曲设计放大运动
同时控制侧向出井。(由物理仪器提供)

做出明智的选择
就像运动控制中几乎所有的事情一样，没有一个正确的解决方案，只有最佳的解决方案。另一个工程学上的真理是，解决方案的好坏取决于它的规格说明。尽管将设计从传统的定位阶段转换为弯曲/压电设计相对简单，但工程团队确实需要仔细考虑。要求是什么?一般来说，即使有弯曲，一个压电工作台也只能提供一到两毫米的行程。然而，如果这足够，而且应用空间有限或需要高分辨率，弯曲可能是理想的方法，在超紧凑的封装中提供高动态范围和长寿命性能。”这意味着所有东西都可以压缩在尺寸上，从而节省整个价值链的成本。

了解应用程序的条件并使用它们来确定最佳解决方案是成功的最可靠保证。“我看到一些运动制造商和OEM客户通过指定轴承的轴承可能是一个更好的主意，”他说。他指向高速，高频应用的示例。该设计需要团队中的垂直轴承选择交叉滚筒设计。“它们由钢制成，它们在高湿度环境中，它们在24/7连续迅速扫描。应该是没有人惊讶的是那些轴承放松和腐蚀的轴承和各种各样的事情发生。“虽然润滑脂可能会保护轴承免受湿度，但它会降低运动轨迹并吸引污染。“在该应用程序中使用轴承是个坏主意。柔性会更明智，“他补充道。

最重要的是，Jordan强调需要寻找提供多种技术的供应商。就像一个工程学笑话说的那样，如果你唯一的工具是锤子，那么所有的问题开始看起来就像钉子。对于广泛的应用，传统和交叉滚子轴承可能是一个很好的解决方案。然而，对于如今数量惊人的应用来说，弹性可能就是最好的选择。“有一个对话。与供应商沟通，可以让你从不同的方向看问题。”“如果你只是和一个只卖弯曲器的制造商交谈，那么你就会被卖到弯曲器。如果你只跟卖交叉滚子轴承台的人谈，他们会把交叉滚子轴承台推给你。

挠曲不再是新奇的解决方案。它们的成本效益惊人，而且它们的尺寸优势为设计过程带来了新的自由度。Jordan说:“工程师有时不知道弯曲技术能做什么。“多轴优势，能够使平行运动装置从多个方向同时引导工件，等等。弯曲提供了用各种材料制作机械的机会，并提供了精致的分辨率。你的普通举止是无法做到这一点的。”